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Sciences Physiques 1S S. Zayyani

Fiche de Cours Unité : Optique Chapitre: Chapitre 2 – Couleurs

Couleurs Les couleurs nous entourent à chaque moment de notre vie. On n’y pense presque jamais – sauf peut-être le samedi soir avant de sortir. Mais si on se demande comment définir une couleur, nous rencontrons quelques difficultés, car la définition n’est pas évidente, même si la notion est bien comprise. Nous allons donc faire une distinction importante : DEFINITION : COULEUR PERÇUE & COULEUR SPECTRALE

• La couleur spectrale correspond à une lumière dont le spectre ne présente qu’une seule couleur. • La couleur perçue d’une lumière est l’impression visuelle qu’elle nous donne. Une couleur perçue est

non-spectrale si o Elle ne figure pas dans le spectre de la lumière blanche (e.g. magenta) o Son spectre présente plus d’une couleur.

Oh la la la la ! Les spectres … Encore !!! Peut-être nous faut-il une petite révision.

Révision : spectres lumineux DEFINITION:

• Un spectre lumineux (=spectrum of light) est la figure obtenue par décomposition d’une lumière en radiations monochromatiques (= une seule couleur).

• Un Spectre Continu est une bande colorée dont les couleurs varient progressivement. Par exemple, le spectre de la lumière blanche

L’œil et la vision des couleurs On a vu dans le chapitre précédent – et en SVT – que l’œil humain est composé principalement de deux parties : une partie modélisée par une lentille, qui modifie la lumière entrant dans l’œil afin de la projeter nettement sur le fond de l’œil, où est située la deuxième partie de l’œil, le « capteur » de la lumière : la rétine (=retina).

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La rétine est constituée de deux types de cellules photosensibles : cônes et bâtonnets (=cones and rods). Les cônes pour la vision colorée (et lumière intense) alors que les bâtonnets pour la vision en faible luminosité (ils sont capable de détecter même un seul photon de lumière !). Toutes ces cellules sont photosensibles : elles produisent des signaux électriques en recevant de la lumière. Ces signaux sortent par l’arrière de la rétine, via le nerf optique. Les signaux sont en ensuite reçus et « interprétés » dans le lobe occipital du cerveau (derrière le crâne). Ce sont les signaux provenant des cônes qui sont traités par le cerveau dans la formation des images colorées de notre environnement.

Synthèse additive On a appris en 2nde que la lumière blanche n’est pas vraiment une lumière colorée car elle est composée des différentes lumières colorées monochromatiques (i.e. une seule couleur). Cette propriété a été mise en évidence grâce à un prisme (ou spectroscope) qui décompose une lumière polychromatique en ses lumières colorées monochromatiques. Ce n’est pas donc illogique de se poser la question : serait-il possible de faire l’opération inverse ? Pourrait-on additionner des lumières monochromatiques dans le but de créer une lumière colorée ? La réponse est oui, c’est la synthèse additive. DÉFINITION :

• La synthèse additive est l'opération consistant à combiner la lumière de plusieurs sources émettrices colorées afin d'obtenir une nouvelle couleur.

• En synthèse additive, les couleurs primaires généralement utilisées sont au nombre de trois : le rouge, le vert et le bleu, noté souvent RVB (or RGB in english for Red Green Blue).

• Cette synthèse est dite additive car il s’agit de la superposition ou l’addition de plusieurs faisceaux de lumière colorée. Le spectre du faisceau résultant s’obtient en ajoutant les spectres de ces faisceaux.

• Deux couleurs sont dites complémentaires (=complementary colours) si leur synthèse additive donne du blanc. L’impression visuelle obtenue à partir du mélange de deux faisceaux est une nouvelle lumière colorée, dont la couleur est complémentaire à celle du faisceau manquant.

Voilà les règles de synthèse :

L'addition de ces trois couleurs donne du blanc L'absence de couleur donne du noir. l'addition deux à deux de ces couleurs primaires permet d'obtenir les couleurs secondaires :

le rouge et le vert donnent le jaune. Le jaune et le bleu sont donc complémentaires.

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le rouge et le bleu donnent le magenta. Le magenta et le vert sont donc complémentaires. le bleu et le vert donnent le cyan. Le cyan et le

rouge sont donc complémentaires.

Faisons un lien important maintenant avec le fonctionnement de l’œil humain.

La loi de la synthèse trichrome dit qu’il est possible de reproduire une sensation colorée quelconque en mélangeant les trois couleurs primaires. Cette loi suggère l’existence dans la rétine de trois sortes de cellules photoréceptrices sensibles au rouge, au vert et au bleu. Dès 1802, Young puis Helmholtz ont avancé cette hypothèse, confirmée plus tard par différentes analyses physiologiques et biochimiques.

La synthèse additive est donc rendue possible par la façon dont l'œil humain détecte la couleur ; ce n'est pas une propriété intrinsèque de la lumière. En effet, il y a une grande différence « physique » entre une lumière jaune, de longueur d'onde 580 nm, et un mélange de lumières rouge et verte. Cependant, ces deux

phénomènes stimulent les cellules de l'œil de façon semblable, ce qui fait que l'on ne perçoit pas la différence.

Ceci est en effet le cas, car on voit bien 3 types de cônes dans l’œil. Certains sont surtout sensibles aux radiations de longueurs d’onde voisines de 𝟓𝟔𝟒 − 𝟓𝟖𝟎 𝒏𝒎 (cônes rouges). Les deux autres sont sensibles aux radiations voisines de 𝟓𝟑𝟒 − 𝟓𝟒𝟓 𝒏𝒎 (cônes verts) ou 𝟒𝟐𝟎 − 𝟒𝟒𝟎 𝒏𝒎 (cônes bleus). Ainsi, un cône recevant une radiation de longueur d’onde 600 𝑛𝑚 renvoie une réponse forte si c’est un cône rouge, une réponse moyenne si c’est cône vert et pas de réponse si c’est un cône bleu. Le cerveau reçoit donc, de la rétine, non seulement une image, mais également de l’information sur la couleur de chaque point d’image.

Et enfin, mentionnons brièvement un des défauts de la rétine : le daltonisme (=colour blindness). Le daltonisme désigne une anomalie de la vision due à la déficience d’un ou plusieurs types de cône.

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Application : couleur des écrans plans

La synthèse additive est le principe de composition des couleurs utilisées notamment dans les écrans cathodiques, les écrans LCD et les vidéoprojecteurs tri-tubes.

Voici une version simplifiée du fonctionnement des écrans LCD. Un tel écran nécessite trois cellules par pixels et le sandwich est complété par un filtre coloré de motifs rouges, verts et bleus. Généralement le filtre est une succession de bandes verticales alternant les trois couleurs. Il y a toutefois d’autres répartitions décalant les couleurs d’une ligne à l’autre.

Afin d’améliorer la précision de rendu des couleurs, les éléments du filtre RVB sont séparés par une bande noire opaque.

La technologie TN ne permet pas l’affichage de plus de 262 144 couleurs (3×6 bits), l’affichage de 16 millions de couleurs (3×8 bits) utilise une technique d’approximation soit par clignotement (blinking) qui alterne l’affichage de 2 couleurs qui encadrent la « vraie », soit par effet de diffusion (dithering) entre des cellules adjacentes. De nombreux écrans semblent utiliser une combinaison de ces deux techniques.

Synthèse soustractive Il existe une autre synthèse qui est complémentaire par rapport à la synthèse additive, qui s’appelle la synthèse soustractive. Elle est appelée « soustractive » car au lieu de faire une superposition des faisceaux

lumineux colorés, on obtient les nouvelles couleurs en faisant passer la lumière par différents filtres colorés qui « soustraient » les différentes couleurs. Le terme soustractif vient du fait qu'un objet coloré soustraie (absorbe) une partie de la lumière incidente. De fait, une couleur obtenue par synthèse soustractive de plusieurs autres sera nécessairement plus sombre qu'elles. La manière la plus facile d’effectuer une synthèse soustractive est

avec des filtres colorés. En passant par un filtre coloré une partie de la lumière est bloquée ou « soustraite ». Donc, par exemple, la lumière blanche, en passant par un filtre jaune, sort jaune, car toutes les couleurs sauf le jaune sont filtrées.

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Avec un peu de raisonnement et réflexion on peut déduire que :

• en synthèse soustractive les couleurs primaires sont le jaune, le cyan et le magenta • la superposition de toutes les couleurs donne le noir

Couleur d’un Objet L’intérêt de notre discussion jusqu’ici est la question : quel est la couleur d’un objet ? Comment déterminer la couleur d’un objet dans différentes situations. Quels sont alors les facteurs qui influencent la couleur perçue d’un objet ? Comme on verra prochainement, les objets sont soit une source primaire de lumière (ils produisent leur propre lumière) soit une source secondaire (ils sont incapables de produire leur propre lumière). En ce qui concerne la question de la couleur d’un objet, on s’occupe plutôt des sources secondaires. La couleur d’un objet dépend de son éclairage. Que se passe-t-il quand on objet est éclairé par une lumière ? Soit :

• La lumière incidente est absorbée. Dans ce cas-là la lumière n’est pas réémise, et son énergie est absorbée par l’objet

• La lumière est réfléchie. Cette lumière réfléchie pourrait être

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o Dans une direction particulière (réflexion spéculaire) o Dans toutes les directions (diffusion).

• La lumière traverse l’objet. Ceci est le cas s’il s’agit d’un objet transparent. Le facteur qui influence le comportement de la lumière, et qui décide laquelle des options citées ci-dessus se passe, est la composition spectrale de l’objet. Par exemple : une lumière verte arrivant sur un filtre vert, traverse l’objet. En revanche une lumière verte arrivant sur un filtre magenta est totalement absorbée. Et finalement une lumière verte arrivant sur un filtre bleu, sera absorbée partiellement (la jaune est absorbée et le bleu traverse) ; et ainsi de suite. La couleur perçue donc d’un objet en lumière colorée dépend du spectre de la lumière qu’il diffuse. EX. 1|| Le drapeau tricolore français devient le drapeau de quel pays sous éclairage jaune ?

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